Световые явления физика 7. Световые явления. Примеры световых явлений в атмосфере

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат по физике

по теме: «Световые явления в природе»

ученицы 8 «Л 1» класса

Вступление

Почему небо голубое, а закат - красный

Опыт Тиндаля

Рассеяние света

Флуктуация воздуха

Зелёный луч

«Слепая» полоса

Рефракция

Ледяные кристаллы в облаках

Гало в Антарктиде

Верхние миражи

«Призрачные» земли

«Летучий голландец»

Нижние миражи

Боковые миражи

Фата-Моргана

Туманная радуга

Лунная радуга

Полярные сияния

Виды полярных сияний

Влияние полярного сияния

Заключение

Список литературы

Вступление

Сколько в природе удивительного! Особенно необычно и завораживающе выглядят световые явления. С древнейших времён люди воспринимали это как чудо, связывая необъяснимое с мистическими силами или с богами.

Мне стало интересно: ведь есть же объяснение всем этим необычным явлениям. И я решила, по-новому, с физической точки зрения взглянуть на некоторые световые явления и найти ответы на многие интересующие вопросы.

Солнце - источник энергии для жизни растений и животных. Оно создаёт ветры, нагревая огромные массивы суши и воздушные массы над ними, и служит движущей силой круговорота воды в природе, поднимая водяные пары в атмосферу. Солнце - жизненно важная составляющая окружающей среды, без которой жизнь на Земле была бы невозможна.

Солнечные лучи освещают весь земной шар. Прекрасен мир солнечного света. Он доставляет радость всем живущим на Земле. Мир солнечного света огромен, разнообразен, неисчерпаем.

Небосвод бесконечно прекрасен, также прекрасно и удивительно выглядят световые явления: закат, «слепая полоса», зелёный луч, радуга, северное сияние, гало, миражи. В этом реферате будут рассмотрены явления, неразрывно связанные с Солнечным светом, многие чудеса природы будут объяснены.

Почему небо голубое, а закат - красный

Солнце... Уже в древнейшие времена люди понимали, что без солнечных лучей жизнь на Земле была бы невозможна. Они называли солнце "началом жизни", обожествляли его, поклонялись ему. Во все времена закат вызывал у людей печаль, страх, тревогу, но чаще солнечный закат навеивает лёгкую грусть, граничащую с умиротворением. Наблюдаемая картина заката солнца зависит всякий раз от состояния атмосферы и в существенной мере определяется типом и формой облаков, подсвечиваемых лучами заходящего солнца. Поэтому один закат так не похож на другой. И всегда солнечные закаты необычайно красивы.

Прежде всего, бросается в глаза красноватый цвет заходящего Солнца и такой же цвет неба вблизи него. У самой линии горизонта он краснее, а в верхней части диска переходит в цвет более светлых тонов.

Опыт Тиндаля

Небо имеет голубой цвет, а цвет заходящего солнца становится красным. В обоих случаях причина одна - рассеяние солнечного света в земной атмосфере. Это можно объяснить, если предположить, что синий свет рассеивается сильнее, чем красный. Это было доказано в 1869 г. когда Дж. Тиндаль выполнил свой знаменитый опыт. Этот опыт совсем не трудно воспроизвести. Возьмём аквариум прямоугольной формы, наполним его водой и направим на стенку аквариума слабо расходящийся узкий пучок света от диапроектора. Опыт должен проводиться в затемнённом помещении. Для усиления рассеивания светового пучка при его прохождении через аквариум добавим в воду немного молока. Содержащиеся в молоке частички жира не растворяются в воде; они находятся во взвешенном состоянии, и способствую рассеянию света. Можно наблюдать голубоватый оттенок у рассеянного света. Свет же, прошедший сквозь аквариум, приобретает красноватый оттенок. Итак, если смотреть на световой пучок в аквариуме сбоку, он представляется голубоватым, а с выходного торца - красноватым. Это можно объяснить тем, что при прохождении белого светового пучка через рассеивающую среду из него рассеивается в основном "синий компонент" поэтому в выходящем из среды пучке начинает преобладать "красный компонент".

Рассеяние света

В 1871 г. Дж. Стретт именно так объяснил результаты опытов Тиндаля. Он построил теорию рассеяния световых волн на частицах, размеры которых много меньше длины световой волны. Установленный Релеем закон утверждает: Интенсивность рассеянного света пропорциональна четвёртой степени частоты света, или, иначе говоря, обратно пропорциональна четвёртой степени длины световой волны.

Если применить закон Рэлея к рассеянию солнечного света в Земной атмосфере, то нетрудно объяснить и голубой цвет дневного неба, и красный цвет солнца при восходе и закате. Поскольку интенсивнее рассеиваются световые волны с более высокими частотами, то, следовательно, спектр рассеянного света буде сдвинут в сторону более высоких частот, а спектр света, остающегося в пучке, после того как испытавший рассеяние свет покинул пучок, будет сдвинут в обратную сторону - к более низким частотам. В первом случае белый цвет становится голубым, а во втором - красноватым. Глядя на дневное небо, наблюдатель воспринимает свет, рассеянный в атмосфере; согласно закону Рэлея, спектр этого света сдвинут в сторону более высоких частот, отсюда голубой цвет неба. Глядя на солнце, наблюдатель воспринимает свет, прошедший через атмосферу без рассеяния; спектр этого цвета будет сдвинут к низким частотам. Чем ближе солнце к линии горизонта, тем более длинный путь в атмосфере проходят световые лучи, прежде чем попадут к наблюдателю, тем в большей мере сдвигается их спектр. В результате заходящее и восходящее солнце мы видим в красных тонах. Вполне понятно также, почему нижняя часть заходящего солнечного диска выглядит более красной, чем его верхняя часть.

Основную роль играет зависимость интенсивности рассеяния света от его частоты. Но какова природа тех центров, на которых рассеиваются световые волны? Первоначально думали, что роль таких центров выполняют мельчайшие пылинки и капельки воды, но это не объясняет чудесного голубого цвета неба в высокогорных районах, где очень чистый и сухой воздух.

Флуктуация воздуха

В 1899 г. Рэлей выдвинул гипотезу, по которой центрами, рассеивающими свет, являются сами молекулы воздуха. В первой половине ХХ века, благодаря работам М. Смолуховского, А. Эйнштейна и Л. И. Мандельштама, было установлено, что в действительности рассеяние света происходит не на самих молекулах воздуха, а на несколько необычных объектах, возникающих вследствие хаотичного движения теплового движения молекул, - на флуктуациях плотности воздуха, т. е. случайно возникающих микроскопических сгущениях и разряжениях воздуха. Мы видим, что некоторые ячейки оказываются почти пустыми, а некоторые относительно плотно заселены молекулами. Это есть следствие хаотичного теплового движения молекул воздуха. В результате плотность атмосферного воздуха будет случайным образом изменятся (флуктуировать) от одной ячейки к другой. Ясно, что в иной момент времени уже иные ячейки окажутся более или менее заселёнными, но по прежнему плотность воздуха будет случайно изменяться. Можно пояснить понятие флуктуации плотности воздуха и другим образом. Сосредоточим внимание не на каком-либо определённом моменте времени, а на некоторой произвольно выбранной ячейке пространства. С течением времени число молекул в ячейке будет флуктуировать, где рассмотрены несколько разных моментов времени. Проще говоря, плотность воздуха в данной точке будет случайно изменяться с течением времени. Вот эти локальные неоднородности плотности воздуха и являются теми рассеивающими центрами, которые обуславливают голубой цвет дневного неба и красный цвет заходящего солнца. Наличие в воздухе мелкой пыли и капелек воды приводят к дополнительному рассеянию и в какой-то степени влияет на цвет неба и заката. Однако первопричина заключается в рассеянии света на флуктуациях плотности воздуха. Характер этих флуктуаций в значительной мере зависит от состояния атмосферы: температуры различных слоёв воздуха, характера и силы ветра. Именно поэтому в тихую ясную погоду закат золотистый, а в ветреную - багровый.

Зелёный луч

Удивительное зрелище - зелёный луч. Яркий зелёный свет вспыхивает на несколько секунд, когда почти весь солнечный диск скрылся за горизонтом. Это можно увидеть в такие вечера, когда Солнце вплоть до самого заката ярко светит и почти не изменяет своего цвета. Важно, чтобы горизонт имел отчётливую линию без всяких неровностей: леса, строений и т. п. Этих условий легче всего добиться на море.

Возникновение зеленого луча можно объяснить, если принять во внимание изменение показателя преломления с частотой света. Обычно показатель преломления растет с увеличением частоты. Лучи с более высокой частотой преломляются сильнее. Значит, сине-зеленые лучи претерпевают более сильную рефракцию по сравнению с красными лучами

Допустим, что рефракция света в атмосфере есть, а вот рассеяния света нет. В этом случае верхний и нижний края солнечного диска вблизи линии горизонта должны были бы быть окрашенными в цвета радуги. Пусть для простоты в спектре солнечного света имеются всего два цвета -- зеленый и красный; «белый» солнечный диск можно рассматривать в данном случае в виде наложенных друг на друга зеленого и красного дисков. Рефракция света в атмосфере приподнимает над горизонтом зеленый диск в большей степени, чем красный. Верхний край солнечного диска был бы зеленым, а нижний красным; в центральной же части диска наблюдалось бы смешение цветов, т. е. наблюдался бы белый цвет.

В действительности же нельзя не учитывать рассеяние света в атмосфере. Как мы уже знаем, оно приводит к тому, что из светового пучка, идущего от солнца, выбывают более эффективно лучи с более высокой частотой. Так что зеленой каемки сверху диска мы не увидим, а весь диск будет выглядеть не белым, а красноватым. Если, однако, почти весь солнечный диск ушел за горизонт, остался лишь самый верхний его краешек, и при этом стоит ясная и тихая погода, воздух чист (так что рассеяние света минимально), то в этом случае мы можем увидеть ярко-зеленый край солнца вместе с россыпью ярких, зеленых лучей. И всё-таки мы увидим зелёный, т. К. синий рассеялся в атмосфере.

«Слепая » полоса

Еще одно удивительное явление: иногда Солнце кажется заходящим не за чётко просматриваемую линию горизонта, а за некоторую невидимую линию, находящуюся над горизонтом. Интересно, что это явление наблюдается в отсутствие какой либо облачности. Если быстро подняться на вершину холма, то можно наблюдать ещё более странную картину: теперь солнце заходит за линию горизонта, но при этом солнечный диск оказывается как бы перерезанным горизонтальной слепой полосой. Солнце постепенно опускается всё ниже, а положение слепой полосы по отношению к линии горизонта сохраняется неизменным.

Картина заката наблюдается, если воздух около земной поверхности оказывается достаточно холодным, а выше имеется слой относительно теплого воздуха. В этом случае показатель преломления воздуха, изменяется с высотой а) Переход от нижнего холодного слоя воздуха к лежащему над ним теплому может приводить к довольно резкому спаду показателя преломления. Для простоты примем, что этот спад совершается скачком, поэтому между холодным и теплым слоями существует четко выраженная поверхность раздела, находящаяся на некоторой высоте h0 над земной поверхностью. Упомянутый скачок б) где через nх обозначен показатель преломления воздуха в холодном слое, а через nт -- в теплом слое вблизи границы с холодным.

Рефракция

Время восхода и захода Солнца в любом месте земного шара в любой день года рассчитывается по астрономическим формулам достаточно точно. Но на самом деле рассчитанное время восхода и захода и действительное далеко не всегда совпадают. Дело в том, что свои «коррективы» вносит атмосфера, окружающая Землю.

Плотность воздуха быстро уменьшается с высотой. Вместе с плотностью изменяется показатель преломления и скорость распространения электромагнитных волн в атмосфере.

Рефракцией называется преломление электромагнитных волн в атмосфере в силу неоднородности плотности воздуха, как в горизонтальном, так и, особенно сильно, в вертикальном направлениях. Траектории электромагнитных волн в атмосфере представляют собой сложного вида кривые.

Прямым следствием рефракции солнечных лучей является увеличение продолжительности дня. При заходе Солнца, когда его диск уже опустился под горизонт, рефракция его приподнимает, и день еще продолжается. Аналогично при восходе: Солнце еще находится под горизонтом, а за счет рефракции мы его уже видим, то есть день начинается раньше действительного восхода Солнца.

Увеличение продолжительности дня зависит от широты места и склонения Солнца в данный день. В средних широтах за счет рефракции день увеличивается обычно не более чем на 8 - 12 мин. Если мы будем перемещаться по земной поверхности по направлению к полюсам, то удлинение дня становится все более и более значительным. На полюсах земного шара, где полярный день и полярная ночь должны продолжаться ровно по полгода, оказывается, что полярный день длиннее полярной ночи на 14 суток.

Гало

Если Солнце или Луна просвечивают через тонкие перисто-слоистые облака, состоящие из ледяных кристаллов, на небе часто появляются световые явления, называемые гало. Явления гало отличаются большим многообразием.

В моменты близкие к заходу или восходу Солнца, над Солнцем, а иногда и под ним, появляются световые столбы.

Повторяемость гало обусловлена частотой появления перисто-слоистых облаков. Часто на небе наблюдается одновременно несколько форм гало. Сложный комплекс из разнообразных гало наблюдался в Петербурге 18 июля 1794г. На небе одновременно наблюдалось 12 различных кругов и дуг, из них 9 цветных. Описаны и другие сложные гало, которые наблюдались в разных местах земного шара.

Появление на небе одновременно нескольких солнц, световых крестов, косых дуг, которые, особенно во время зари, казались «кровавыми мечами», в прежние времена вызывало у людей страх, рождало суеверия, воспринималось как предвестие большой беды - войны, голода.

Ледяные кристаллы в облаках

Как же возникают гало? Все формы гало являются результатом преломления солнечных или лунных лучей в ледяных кристаллах облака либо их отражения от боковых граней или оснований кристаллов, имеющих форму шестигранных столбиков или пластинок. Строго говоря, на кристаллах происходит дифракция солнечных или лунных лучей.

Гало в Антарктиде

Наиболее часто разнообразные гало возникают на внутриконтинентальных станциях, расположенных на ледяном куполе Антарктиды и на его склоне на высотах 2700 - 3500 м над уровнем моря.

В отсутствие плотных снежных облаков, когда светит Солнце, возникают необычайно яркие цветные и белые гало. Часто видны только нижние половинки кругов гало.

Гало в Антарктиде наблюдается часто в течение целого дня, изменяется лишь их форма и яркость цветов.

Другое интересное световое явление, которое видели только в глубине антарктического континента, - радужный, или цветной, поземок. Он наблюдается только при низком положении Солнца, и чтобы лучше его рассмотреть, надо лечь на снег и смотреть в сторону Солнца. Быстро перемещаемые ветром струйки поземка, встречая на своем пути заструги снега, взлетают вверх, образуя малые и большие разноцветные фонтанчики, вспыхивающие всеми цветами радуги.

Цветной поземок возникает в результате преломления солнечного света в полых ледяных кристаллах, из которых состоит поземок, и в кристаллах, оседающих из облаков. Происхождение цветного поземка аналогично «игре» света в хрустальных люстрах, подвесках, бриллиантовых украшениях.

Миражи

Слово мираж французского происхождения и имеет два значения: «отражение» и «обманчивое видение». Оба значения этого слова хорошо отражают сущность явления. Мираж представляет собою изображение реально существующего на Земле предмета, часто увеличенное и сильно искаженное. Мираж можно зарисовать, сфотографировать, заснять на кинопленку, что многократно и делалось. Различают несколько видов миражей в зависимости от того, где располагается изображение по отношению к предмету. Миражи бывают: верхние, нижние, боковые и сложные. рефракция солнечный флуктуация поземок

Наиболее часто наблюдаемые верхние и нижние миражи возникают при необычном распределении плотности по высоте, когда на некоторой высоте или у самой поверхности Земли имеется сравнительно тонкий слой очень теплого воздуха, в котором лучи, идущие от наземных предметов, испытывают полное внутренне отражение.

Верхние миражи

В верхних миражах изображение располагается над предметом. Такие миражи возникают когда плотность воздуха и показатель преломления с высотой быстро уменьшаются.

Над холодными морями или над выхоложенными поверхностью суши часто наблюдается расширение горизонта. Земля как бы немного распрямляется, и из-за горизонта поднимаются и становятся видными очень далекие предметы.

«Призрачные» з емли

К числу верхних миражей, по-видимому, следует отнести хотя бы часть так называемых призрачных земель, которые десятилетиями разыскивали в Арктике и так и не нашли. Это Земли Андреева, Джиллеса, Оскара, Санникова и другие. Особенно долго искали Землю Санникова.

В 1811 г. Санников отправился на собаках по льду к группе Новосибирских островов и с северной оконечности острова Котельный увидел в океане неизвестный остров. Достичь его он не смог - мешали громадные полыньи. Санников сообщил об открытии нового острова царскому правительству. В августе 1886г. Э.В.Толь во время своей экспедиции на Новосибирские острова тоже увидел остров Санникова.

Поискам Земли Санникова Толь отдал 16 лет жизни. Он организовал и провел три экспедиции в район Новосибирских островов. Во время последней экспедиции на шхуне «Заря» экспедиция Толя погибла, так и не найдя Земли Санникова. Больше Землю Санникова не видел никто. Возможно, это был мираж, который в определенное время года появляется в одном и том же месте. Как Санников, так и Толь, видели мираж одного и того же острова, расположенного в этом направлении, только намного дальше в океане.

Английский полярный исследователь Роберт Скотт в 1902 г. предположил, что дальше за горизонтом находится горная цепь. И действительно, горная цепь была позднее обнаружена норвежским полярным исследователем Руалем Амундсеном и как раз там, где и предполагал ее нахождение Скотт.

«Летучий голландец»

«Летучий голландец» - призрачное парусное судно необычайно больших размеров без видимой команды на борту. Оно внезапно появлялось, безмолвно шло, не отвечая на сигналы, и так же внезапно исчезало. Встреча с «Летучим голландцем» считалась роковой, надо было ждать шторма или другой беды.

Это был, без сомнения, верхний мираж, то есть изображение какого-либо обыкновенного парусного судна, которое спокойно шло где-то далеко за горизонтом, а его увеличенное и искаженное изображение, в виде верхнего миража, поднималось в воздух, и его принимали за «Летучего голландца». Мираж, естественно, не реагировал ни на какие сигналы с других кораблей. Теперь «Летучий голландец» в виде парусного судна исчез с морей и океанов, поскольку парусные суда стали редкостью. Увидеть же миражи судов, плывущих за видимым горизонтом, можно довольно часто.

Нижние миражи

Нижние миражи возникают при очень быстром уменьшении температуры с высотою. Мираж называется нижним, так как изображение предмета помещается под предметом. В нижних миражах кажется, будто под предметом находится водная поверхность, и все предметы в ней отражаются.

Отражение в тонком нагретом от земной поверхности слое воздуха совершенно аналогично отражению в воде. Только роль зеркала играет сам воздух. Состояние воздуха, при котором возникают нижние миражи, крайне неустойчивое. Ведь внизу, у земли, лежит сильно нагретый, а значит, более легкий воздух, а выше него - более холодный и тяжелый. Поднимающиеся от земли струи горячего воздуха пронизывают слои холодного воздуха. За счет этого мираж меняется на глазах, поверхность «воды» кажется волнующейся. Достаточно небольшого порыва ветра или толчка и произойдет обрушивание, то есть переворачивание воздушных слоев. Тяжелый воздух устремится вниз, разрушая воздушное зеркало, и мираж исчезнет.

Благоприятными условиями для возникновения нижних миражей являются однородная, ровная подстилающая поверхность Земли, что имеет место в степях и пустынях, и солнечная безветренная погода.

Кажущаяся водная поверхность или озеро, видимые в мираже, в действительности являются отражением неба. Участки неба отражаются в воздушном зеркале и создают полную иллюзию блестящей водной поверхности. Такие миражи видны летом, в солнечные дни над асфальтовыми дорогами или ровным песчаным пляжем.

Боковые миражи

Боковые миражи могут возникнуть, когда слои воздуха одинаковой плотности располагаются в атмосфере наклонно или даже вертикально. Такие условия создаются летом, утром вскоре после восхода Солнца у скалистых берегов моря или озера, когда берег уже освещен Солнцем, а поверхность воды и воздух над ней еще холодные. Боковой мираж может появиться у каменной стены дома, нагретой Солнцем, и даже сбоку от нагретой печи.

Фата - Моргана

Сложного вида миражи, или фата - Моргана, возникают, когда одновременно есть условия для появления как верхнего, так и нижнего миража. Плотность воздуха с высотой сначала увеличивается, а затем также быстро уменьшается. При таком распределении плотности воздуха состояние атмосферы весьма неустойчивое и подвержено внезапным изменениям. Поэтому вид миража меняется на глазах. Самые обыкновенные скалы и дома вследствие многократных искажений и увеличения на глазах превращаются в чудесные замки феи Морганы.

Радуга

Обычно наблюдаемая радуга - это цветная дуга, видимая на фоне завесы ливневого дождя или полос падения дождя, часто не достигающих поверхности земли. Радуга видна в стороне небосвода, противоположной Солнцу, и обязательно при Солнце, не закрытом облаками. Такие условия чаще всего создаются при выпадении летних ливневых дождей.

Большинство людей, наблюдавших радугу много раз, не видят, а точнее не замечают дополнительных дуг в виде нежнейших цветных арок внутри первой и снаружи второй радуг. Эти цветные дуги неправильно названы дополнительными - в действительности они такие же основные, как первая и вторая радуги. Эти дуги не образуют целого полукруга или большой дуги и видны только в самых верхних частях радуги. Именно в этих дугах, а не в основных, сосредоточено наибольшее богатство чистых цветовых тонов.

Все радуги - это солнечный свет, разложенный на компоненты и перемещенный по небосводу таким образом, что он кажется исходящим от части небосвода, противоположной той, где находится Солнце.

Весь вид радуги - ширина дуг, наличие, расположение и яркость отдельных цветовых тонов, положение дополнительных дуг очень сильно зависят от размеров капель дождя.

По виду радуги можно приближенно оценить размеры капель дождя, образовавших эту радугу. В целом, чем крупнее капли дождя, тем радуга получается уже и ярче, особенно характерным для крупных капель является наличие насыщенного красного цвета в основной радуге. Многочисленные дополнительные дуги также имеют яркие тона и непосредственно, без промежутков, примыкают к основным радугам. Чем капли мельче, тем радуга становится более широкой и блеклой с оранжевым или желтым краем. С поверхности Земли мы можем наблюдать радугу в лучшем случае в виде половины круга, когда Солнце находится на горизонте. С самолета можно наблюдать радугу в виде целого круга.

Туманная радуга

В природе встречаются белые радуги. Они появляются при освещении солнечными лучами слабого тумана, состоящего из капелек радиусом 0,025 мм или менее. Их называют туманными радугами. Кроме основной радуги в виде блестящей белой дуги с едва заметным желтоватым краем наблюдаются иногда окрашенные дополнительные дуги: очень слабая голубая или зеленая дуга, а затем белесовато-красная. Аналогичного вида белую радугу можно увидеть, когда луч прожектора, расположенного сзади вас, освещает интенсивную дымку или слабый туман перед вами. Даже уличный фонарь может создать, хотя и очень слабую, белую радугу, видимую на темном фоне ночного неба.

Лунная радуга

Аналогично солнечным могут возникать и лунные радуги. Они более слабые и появляются при полной Луне. Лунные радуги явление более редкое, чем солнечные. Для их возникновения необходимо сочетание двух условий: полная Луна, не закрытая облаками, и выпадение ливневого дождя. Лунные радуги могут наблюдаться в любом месте земного шара, где осуществятся перечисленные два условия.

Дневные, солнечные радуги, даже образованные самыми мелкими каплями дождя или тумана, довольно белесые, светлые, и все же наружный край их хотя бы слабо, но окрашен в оранжевый или желтый цвет. Радуги, образованные лунными лучами, совсем не оправдывают своего названия, так как они не радужные и выглядят как светлые, совершенно белые дуги.

Отсутствие красного цвета у лунных дуг даже при крупных каплях ливневого дождя объясняется низким уровнем освещения ночью, при котором полностью теряется чувствительность глаза к лучам красного цвета. Остальные цветные лучи радуги также теряют в значительной степени свой цветовой тон из-за неокрашенности ночного зрения человека.

Полярные сияния

Полярное сияние - это всполохи света в виде ярких цветных полос. Полярное сияние возникает, когда электроны и протоны, летящие из космоса, сталкиваются с атомами и молекулами в верхних слоях атмосферы. Столкновение приводит к излучению света - иногда белого, но чаще зелёного и красного. После вспышки на Солнце полярные сияния всегда более яркие и могут наблюдаться на широтах, расположенных ближе к экватору.

Богиню утренней зари древние римляне называли Авророй. С ее именем они связывали и полярные сияния, изредка наблюдаемые на средних широтах. Ведь подобно утренней заре эти сияния были окрашены в розовые и красные цвета. С легкой руки римлян термин «аврора» стал впоследствии применяться к полярным сияниям. В настоящее время этот термин закрепился и в научной литературе; все явления, связанные с полярными сияниями, принято называть теперь авроральными явлениями.

Виды полярных сияний

Полярное сияние -- всегда необычайно величественное зрелище. Полярные сияния отличаются большим разнообразием. Но при всем разнообразии можно выделить несколько определенных их форм. Обычно выделяют четыре основные формы.

Наиболее простая форма -- однородная дуга (однородная полоса). Она имеет довольно ровное свечение, более яркое в нижней части дуги и постепенно исчезающее вверху. Дуга простирается обычно через весь небосвод в направлении восток -- запад; ее протяженность достигает тысяч километров, тогда как толщина составляет всего несколько километров. Протяженность светящейся полосы в вертикальном направлении измеряется сотнями километров; нижний край полосы находится, как правило, на высотах 100--150 км. Однородные дуги (полосы) бывают беловато-зеленого, а также красноватого или лилового цвета.

Следующая форма сияний -- лучи . На небе видны тесно выстроившиеся друг за другом узкие вертикальные светящиеся линии, как будто множество поставленных в ряд мощных прожекторов светят вверх. Для наблюдателя, который смотрит на сияние не сбоку, а непосредственно снизу, лучи представляются сходящимися в вышине (эффект перспективы). Начинаясь с высоты примерно 100 км, лучи уходят вверх на сотни и даже тысячи километров. Все вместе они образуют лучистую полосу. Обычно она зеленоватого цвета; внизу полоса часто имеет розовато-оранжевую кайму.

Особенно сильное впечатление производят свечения, имеющие форму лент , которые могут образовывать складки или закручиваться в своеобразные спирали. Высоко в небе повисают гигантские занавеси, они колышутся, волнуются, меняют очертания и яркость. Толщина этих занавесей порядка километра; по высоте они располагаются примерно от 100 до 400 км. Окраска лент в основном зеленовато-синяя, с переходом к розоватым и красным тонам в нижней части.

Наконец, надо отметить сияния, имеющие форму размытых пятен , похожих на гигантские светящиеся облака; их называют диффузными пятнами. Отдельное такое пятно имеет площадь порядка 100 кмІ. Как правило, пятна окрашены в белесые или красноватые тона. Образуются они на высотах около 100 км, а также на высотах 400...500 км. Различные формы полярных сияний могут возникать одновременно, накладываясь одна на другую.

Лучи, ленты, пятна вовсе не неподвижны: они перемещаются и при этом интенсивность их свечения со временем изменяется. Скорость движения лучей и лент может достигать десятков километров в секунду. В течение ночи можно наблюдать постепенное превращение одних форм сияний в другие. Например, однородная дуга может вдруг разбиться на лучи или превратиться в складки ленты, а последняя может затем распасться на облакообразные пятна.

Влияние полярного сияния

В свое время появление полярных сияний связывалось с трагическими явлениями в природе и обществе. Только ли страх перед непонятными впечатляющими явлениями природы лежит в основе этих суеверий? Сейчас хорошо известно, что солнечные ритмы с различными периодами (27 суток, 11 лет и т.д.) влияют на самые разные стороны жизни на Земле. Солнечные и магнитные бури (и связанные с ними полярные сияния) могут вызывать рост различных заболеваний, в том числе заболеваний сердечнососудистой системы человека. С солнечными циклами связаны изменения климата на Земле, появление засух и наводнений, землетрясения и т.д. Все это заставляет еще раз серьезно задуматься над связью между полярными сияниями и земными катаклизмами и бедами. Может быть, не так и глупы старые представления о такой связи?

Полярные сияния сигнализируют о месте и времени воздействия Космоса на земные процессы. Вызывающее их вторжение заряженных частиц влияет на многие стороны нашей жизни. Изменяется содержание озона и электрический потенциал ионосферы, нагрев ионосферной плазмы возбуждает волны в атмосфере. Все это сказывается на погоде. Из-за дополнительной ионизации в ионосфере начинают течь значительные электрические токи, магнитные поля которых искажают магнитное поле Земли, что прямо влияет на здоровье многих людей. Таким образом, через полярные сияния и связанные с ними процессы Космос воздействует на окружающую нас природу и ее обитателей.

Заключение

Написание реферата было занимательным и интересным: я не просто излагала информацию, а ещё и с интересом узнавала интересные вещи.

Написав реферат, я узнала о некоторых явлениях, которые никогда не видела. Теперь буду чаще наблюдать за небом: очень хочется увидеть некоторые явления, объяснение которым я уже знаю. Особенно заинтересовали такие вещи, как зелёный луч, «слепая» полоса и миражи. А некоторые явления перестали быть непонятными для меня: ведь всему есть объяснение с физической точки зрения, просто пока ещё не всё изучено.

Я узнала, почему небо голубое, как и на чём рассеивается свет в атмосфере, что такое флуктуация, как образуется радуга и много другого. Но в природе ещё много загадок, не менее интересных.

Список литературы

1. Тарасов «Физика в природе»

2. Ян Николсон в переводе В. Н. Михайлова Энциклопедия "Вселенная"

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Взаимодействие электромагнитных волн с веществом. Отражение и преломление света диэлектриками. Принцип Гюйгенса - Френеля. Рефракция света. Графическое сложение амплитуд вторичных волн. Дифракция плоской световой волны и сферической световой волны.

реферат , добавлен 25.11.2008


Определение оптики. Квантовые свойства света и связанные с ними дифракционные явления. Законы распространения световой энергии. Классические законы излучения, распространения и взаимодействия световых волн с веществом. Явления преломления и поглощения.

презентация , добавлен 02.10.2014


Изучение процессов распространения электромагнитных волн радиодиапазона в атмосфере, космическом пространстве и толще Земли. Рефракция радиоволн, космическая, подземная и подводная радиосвязь. Особенности распространения гектометровых (средних) волн.

презентация , добавлен 15.12.2011


Электродинамические явления в моделях климата: электрические заряды и электростатическое поле, механизмы их генерации и перераспределения в конвективном облаке. Возникновение грозовых разрядов как источника оксидов азота в атмосфере и пожароопасности.

курсовая работа , добавлен 07.08.2013


Мираж - оптическое явление в атмосфере: отражение света границей между резко различными по плотности слоями воздуха. Классификация миражей на нижние, видимые под объектом, верхние и боковые. Возникновение и описание фата-моргана (искаженного изображения).

презентация , добавлен 26.09.2011


Земная атмосфера как оптическая система. Науки, занимающиеся изучением световых явлений в атмосфере. Цвет неба, паргелий (ложные солнца). Световой (солнечный) столб. Окологоризонтальная дуга или огненная радуга. Рассеянное свечение ночного неба.

презентация , добавлен 15.06.2014


Длины световых волн. Закон прямолинейного распространения света. Относительные показатели преломления. Явление полного внутреннего отражения для построения световодов. Вектор плотности потока энергии. Фазовая и групповая скорости монохроматической волны.

реферат , добавлен 20.03.2014


Что такое оптика? Ее виды и роль в развитии современной физики. Явления, связанные с отражением света. Зависимость коэффициента отражения от угла падения света. Защитные стёкла. Явления, связанные с преломлением света. Радуга, мираж, полярные сияния.

реферат , добавлен 01.06.2010


Свойства объектов и методы измерения электронной плотности по упругому рассеянию. Экспериментальные методы исследования комптоновского рассеяния. Атомно-рассеивающий фактор, распределение радиальной электронной плотности в литии по комптоновским профилям.

дипломная работа , добавлен 06.06.2011


Распространение звуковых волн в атмосфере. Зависимость скорости звука от температуры и влажности. Восприятие звуковых волн ухом человека, частота и сила звука. Влияние ветра на скорость звука. Особенность инфразвуков, ослабление звука в атмосфере.

Природа света. Интерференция и дифракция света. Дифракционная решетка. Рентгеноструктурный анализ и его использование. Естественный и поляризованный свет. Оптически-активные вещества. Поляриметрия. Исследование биологических систем в поляризованном свете. Дисперсия света. Поглощение и рассеяние света. Рассеяние света в атмосфере.

Литература : ; ;

Оптика (от греческого слова оптикос – зрительный) – раздел физики, в котором изучаются вопрос о природе света, закономерности световых явлений и процессы взаимодействия света с веществом.

В течение последних трех столетий представление о природе света претерпело весьма существенное изменение. В конце XVII в. сформировались две принципиально различные теории о природе света: корпускулярная теория, разработанная Ньютоном, и волновая теория, разработанная Гюйгенсом. Согласно корпускулярной теории, свет есть поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника света.

Согласно волновой теории, свет представляет собой волну, исходящую от источника света и распространяющуюся с большой скоростью в «мировом эфире» – неподвижной упругой среде, непрерывно заполняющей всю Вселенную. Таким образом, волновая теория рассматривала свет как механические волны, распространяющиеся в особой среде (подобно звуковым волнам в воздухе).

До конца XVIII в. подавляющее большинство физиков отдавало предпочтение корпускулярной теории Ньютона. В начале XIX века благодаря исследованиям Юнга и Френеля волновая теория была в значительной мере развита и усовершенствована. Волновая теория успешно объяснила почти все известные в то время световые явления, в том числе интерференцию, дифракцию и поляризацию света, в связи, с чем эта теория получила всеобщее признание, а корпускулярная теория Ньютона была отвергнута.

Слабым местом волновой теории являлся гипотетический «мировой эфир», реальность существования которого оставалась весьма сомнительной (в 1881 г. американский физик Майкельсон экспериментально доказал, что мирового эфира не существует). В 60-х годах XIX в., когда Максвелл разработал теорию единого электромагнитного поля, необходимость в «мировом эфире» как особом носителе световых волн отпала: выяснилось, что свет представляет собой электромагнитные волны и, следовательно, их носителем является электромагнитное поле.

Видимому свету соответствуют электромагнитные волны длиной от 0,77 до 0,38 мкм, создаваемые колебаниями зарядов, входящих в состав атомов и молекул. Таким образом, волновая теория о природе света эволюционировала в электромагнит ную теорию света.

Представление о волновой (электромагнитной) природе света оставалось незыблемым вплоть до конца XIX в. Однако к этому времени накопился достаточно обширный материал, не согласующийся с этим представлением и даже противоречащий ему.

Изучение данных о спектрах свечения химических элементов, о распределении энергии в спектре теплового излучения черного тела, о фотоэлектрическом эффекте и некоторых других явлениях привело к необходимости предположить, что излучение и поглощение электромагнитной энергии носит дискретный (прерывистый) характер, т. е. свет испускается и поглощается не непрерывно (как это следовало из волновой теории), а порциями (квантами).

Исходя из этого предположения немецкий физик Планк в 1900 г. создал квантовую теорию электромагнитных процессов, а Эйнштейн в 1905 г. разработал квантовую теорию света, согласно которой свет представляет собой поток световых частиц - фотонов. Однако фотоны существенно (качественно) отличаются от обычных материальных частиц: все фотоны движутся со скоростью, равной скорости света, обладая при этом конечной массой («масса покоя» фотона равна нулю).

Важную роль в дальнейшем развитии квантовой теории света сыграли теоретические исследования, выполненные Бором , Шредингером , Дираком, Фейнманом , Фоком и др. По современным воззрениям, свет - сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойст вами.

В некоторых явлениях (интерференция, дифракция, поляризация света) обнаруживаются волновые свойства света; эти явления описываются волновой теорией. В других явлениях (фотоэффект, люминесценция, атомные и молекулярные спектры) обнаруживаются корпускулярные свойства света; такие явления описываются квантовой теорией.

Таким образом, волновая (электромагнитная) и корпускулярная (квантовая) теория не отвергают, а дополняют друг друга, отражая тем самым двойственный характер свойств света. Здесь мы встречаемся с наглядным примером диалектического единства противоположностей: свет является и волной и частицей. Уместно подчеркнуть, что подобный дуализм присущ не только свету, но и микрочастицам веществ.

Современная физика стремится создать единую теорию о природе света, отражающую двойственный корпускулярно-волновой характер света; разработка такой единой теории пока еще не завершена.

Интерференция света – это явление усиления или ослабления колебаний, которое происходит в результате сложения двух или нескольких волн сходящихся в некоторой точке пространства. Необходимым условием интерференции волн является их когерентность: равенство их частот и постоянная по времени разность фаз. Этому условию удовлетворяют монохроматические световые волны (от греческого (монос) – один, (хрома) – цвет, т.е. монохроматическому свету соответствует какая-либо одна длина волны). При соблюдении данного условия можно наблюдать и интерференцию других волн (например, звуковых).

Для световых волн, так же как и для любых других справедлив принцип суперпозиции. Так как свет имеет электромагнитную природу, то применение этого принципа означает, что результирующая напряженность электрического (магнитного) поля двух световых волн, проходящих через одну точку, равна векторной сумме напряженностей электрических (магнитных) полей каждой из волн в отдельности.

В частном случае, когда напряженности составляющих полей равны, но противоположно направлены, напряженность результирующего поля будет равна нулю (свет гасится светом). Если они направлены в одну сторону, происходит максимальное усиление света.

Результатом интерференции является интерференционная картина – устойчивое во времени распределение в пространстве интерференционных максимумов и минимумов (например, чередование темных и светлых полос на экране; в природе радужная окраска крыльев насекомых и птиц, мыльных пузырей, масляной пленки на воде и т.д.).

Частным случаем интерференционной картины являются так называемые кольца Ньютона (рисунок 4.1)

Рисунок 4.1

Они наблюдаются в системе образованной плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны.

Результат интерференции двух световых волн (в одной и той же среде) зависит от разности хода Δl=l 1 -l 2 (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2

Если в разности хода лучей укладывается четное число полуволн, т.е. если

(4.1.1)

то в точке А на экране будет максимум света (λ – длина волны, S 1 и S 2 - монохроматические источники света, n=0,1,2,3,…). Если в разности хода лучей укладывается нечетное число полуволн, т.е. если

(4.1.2)

то в точке А будет минимум света. Интерференционная картина создаваемая двумя когерентными источниками света на экране представляет собой чередование темных и светлых полос.

Интерференционная картина очень чувствительна к величине разности хода интерферирующих волн. На этом основано устройство интерферометра прибора служащего для определения малых длин, углов, показателя преломления среды, длин световых волн.

Дифракцией называется отклонение света от прямолинейного распространения близи препятствия (огибание светом преграды). Так например если между источником света S и экраном А поставить другой экран В с отверстием, на экране А можно наблюдать дифракционную картину состоящую из чередующихся светлых и темных колец и захватывающих область геометрической тени (особенно заметно, когда размеры отверстия много меньше расстояния между экранами).

Рисунок 4.3

При использовании белого (немонохроматического света) дифракционная картина приобретает радужную окраску.

Явление дифракции объясняется при помощи принципа Гюйгенса – Френеля. Согласно данному принципу, каждая точка волновой поверхности достигающей отверстия становится вторичным источником света. Эти источники являются когерентными, поэтому исходящие от них световые лучи будут интерферировать между собой. В зависимости от величины разности хода на экране А возникнут максимумы и минимумы освещенности. В лабораторной практике дифракционную картину получают обычно от узких светящихся щелей. Совокупность большого числа параллельных узких прозрачных для света щелей, разделенных непрозрачными промежутками, называют дифракционной решеткой . Дифракционные решетки изготавливают путем нанесения тонких штрихов на поверхности стеклянной пластинки (прозрачная решетка) или металлического зеркала (отражательная). Сумму ширины щели а и промежутка b между щелями называют периодом или постоянной решетки: d = a + b. Дифракционные решетки дают четкую дифракционную картину и применяются для определения длины волны, а также в спектральном анализе для разложения света в спектр и заключения о химическом составе вещества. Дифракционные картины нередко возникают в природе. Так, например, цветные кольца, окружающие источник света, когда воздух насыщен каплями воды (туман) или пылью результат дифракции света на этих частицах. Дифракцией объясняется окраска перламутра и радужный цвет глаз многих насекомых, глаза которых являются своеобразными дифракционными решетками.

В химии широкое применение получил рентгеноструктурный анализ, метод исследования структуры вещества по распределению в пространстве и интенсивностям рассеянного на анализируемом объекте рентгеновского излучения. В его основе лежит взаимодействие рентгеновского излучения с электронами вещества, в результате которого возникает дифракция рентгеновских лучей. Дифракционная картина зависит от длины волны используемых рентгеновских лучей и строения объекта. Для исследования атомной структуры применяют излучение с длиной волны порядка размеров атомов. Методами рентгеноструктурного анализа изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соединения, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы белков, нуклеиновых кислот и т.д. Наиболее успешно его применяют для установления атомной структуры кристаллических тел. Это обусловлено тем, что кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданную самой природой дифракционную решётку для рентгеновских лучей.

Свет представляет суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Как известно электромагнитную волну, можно представить в виде колебаний двух взаимно перпендикулярных лекторов напряженностей электрического Е и магнитного Н. Так как электромагнитная волна является поперечной, то оба вектора колеблются в плоскостях, перпендикулярных к вектору скорости – направлению распространения луча. Элек­тромагнитная волна, в которой колеблется лишь один из этих векторов, невозможна. Электрическое поле, в котором изменяется Е, неизбежно порождает магнитное поле, в котором по такому же закону изменяется Н, я наоборот. Явления поляризации рассматривается относительно вектора напряженности Е, но при этом следует помнить об обязательном су­ществовании перпендикулярного ему вектора напряженности Н. Плоскость, в которой происходят колебания вектора напряженности электрического поля, называют плоскостью колебаний. Плоскость, в которой колеблется вектор напряженности магнитного поля, называется плоскостью поляризации.

Естественный свет с этой точки зрения можно схематично представить следующим образом (рисунок 4.4):

Рисунок 4.4

Равномерное расположение векторов Е обусловлено большим числом атомарных излучателей. Такой свет называется неполяризованным. В таких световых волнах векторы имеют различные ориентации колебаний, причем все ориентации равновероятны. Если влиянием внешних воздействий на свет или внутренних осо­бенностей источника света появляется предпочтительное, наиболее вероятное направление колебаний, то такой свет называется частично поляризованным (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5

С помощью специальных устройств из пучка естественного света можно выделить луч, в котором колебания вектора Е будут происходить в одной определенной плоскости (рисунок 4.6)

Рисунок 4.6

Такой свет будет полностью поляризованным. В отличие от естественного света поляризованный свет характеризуется кроме интенсивности и длины волны еще и положением плоскости поляризации. Человеческий глаз не отличает естественный и поляризованный свет. На практике поляризованный свет обычно получают, пропуская естественный свет через кристаллы, которые, как известно, характеризуются анизотропностью (физические свойства зависят от направления в кристалле). Поляризованный свет широко используют в химических и биологических исследованиях. Например, некоторые вещества, называемые оптически активными, поворачивают плоскость поляризации проходящего через них поляризованного света. Причем угол поворота зависит от толщины слоя вещества. Таким образом, можно определять концентрацию веществ в растворе, что лежит в основе метода исследования веществ – поляриметрии. С помощью оптических поляриметров определяют величину вращения плоскости поляризации света при прохождении его через оптически-активные среды (твёрдые вещества или растворы). Поляриметрия широко применяется в аналитической химии для быстрого измерения концентрации оптически-активных веществ для идентификации эфирных масел и в других исследованиях. Почти все биологически функциональные молекулы являются оптически активными.

Важной оптической характеристикой среды является абсолютный показатель преломления n (или просто показатель преломления). Он показывает во сколько раз скорость света в данной среде меньше скорости света в вакууме

(4.1.3)

Значение показателя преломления среды в основном определяется свойствами этой среды. Однако в некоторой степени он зависит еще и от длины волны (частоты) света. Поэтому одна и та же среда по-разному преломляет световые лучи разной длины волны. Зависимость показателя преломления среды от длины световой волны называется дисперсией света (от латинского dispersio – рассеяние).

Дисперсия называется нормальной, если показатель преломления возрастает с уменьшением световой волны, в противном случае аномальной. Благодаря дисперсии, луч белого света, проходящий через преломляющую среду, оказывается разложенным на различные монохроматические лучи (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый). Попадая на экран, эти лучи образуют дисперсионный спектр - совокупность разноцветных полос. Наиболее четко дисперсионный спектр обнаруживается при преломлении света в призме (рисунок 4.7).

Рисунок 4.7

Угол D между лучами, соответствующими крайним цветам дисперсионного спектра, называется углом дисперсии. От него зависит ширина спектра. По виду спектра можно судить о химическом составе преломляющей среды. На этом основан так называемый спектральный анализ.

При прохождении света через вещество происходит его частичное поглощение, обусловленное превращением электромагнитной энергии световой волны в другие виды энергии (например, тепловую энергию). Вещества слабо поглощающие свет называются прозрачными. Сильно поглощающие свет – непрозрачными. Такое разделение является относительным, так как прозрачность зависит не только от вида вещества, но и толщины его слоя. Кроме того, поглощение света веществом носит избирательный характер. Различные вещества по-разному поглощают свет разных длин волн. Именно этим определяется цвет тела. Из потока белого цвета данное тело поглощает только лучи определенной длины волны, остальные пропускаются, отражаются или рассеиваются и воспринимаются человеческим глазом. Так, например листья живых растений обладают значительным поглощением во всем видимом спектре, кроме зеленой и темно-красной его части.

При распространении света в однородной среде, как показали исследования Бугера и Ламберта, интенсивность света изменяется по следующему закону:

(4.1.4)

где I 0 – интенсивность света при входе в слой вещества, I – интенсивность света при выходе из него, x – толщина слоя вещества, k – коэффициент поглощения, зависящий от рода вещества и длины волны. Поглощением света обусловлены, в конечном счете, все виды воздействия света на вещество. Именно в результате действия света возникает фотосинтез (превращение неорганических веществ в органические сопровождающееся выделением кислорода).

Проходя через мутную среду (среда в которой взвешено множество частиц какого либо постороннего вещества), свет дифрагирует от ее беспорядочно расположенных микрооднородностей и распространяется во все стороны (рассеивается). При этом среда приобретает голубой оттенок. Данное явление объясняется законом Релея:

I~1/λ 4 (4.1.5)

т.е. интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Из формулы (4.1.4) видно, что лучи с более короткой длинной волны рассеиваются сильнее (самой маленькой длиной волны обладает голубой свет). Рассеяние света происходит и в средах очищенных от посторонних частиц (так называемое молекулярное рассеяние). В данном случае свет дифрагирует от случайных уплотнений среды обусловленных беспорядочным тепловым движением молекул. В данном случае интенсивность рассеянного света невелика и становится заметной при большой толщине среды. Молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба и желтый цвет солнечного диска. Так как свет, проходящий через атмосферу, состоит преимущественно из длинных волн.

Первая задача посвящена прямолинейному распространению света в однородной прозрачной среде.

Первый закон геометрической оптики: в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.

Высота дерева - 21 метр. Высота человека - 1,75 метра. Тень, которую отбрасывает человек, составляет 3 метра. Определите длину тени, которую будет отбрасывать дерево.

Решение задачи (рис. 1)

Рис. 1. Иллюстрация к задаче

Решение задачи связано с подобием треугольников.

Ответ: 36 метров

Вторая задача связана с законом отражения.

Если расположить параллельно друг другу два плоских зеркала, между ними поставить зажженную свечу, какое количество изображений мы сможем наблюдать?

Решение задачи

Посмотрим, как создается изображение в плоских зеркалах (рис. 2).

Рис. 2. Иллюстрация к задаче

Рассмотрим левое зеркало. В нем мы получим мнимое изображение источника света, которое будет находиться на таком же расстоянии, как источник света. В правом зеркале мы получаем такое же отражение. Далее, в левом зеркале мы получим изображение отражения, а в правом зеркале мы видим то изображение, которое было изначально. Такое рассуждение можно продолжать до бесконечности.

Следующая задача относится к закону преломления.

Фокусное расстояние собирающей линзы - 20 см. Определите оптическую силу этой линзы.

Воспользуемся системой СИ:

F = 0,2 м

Оптическая сила - это отношение единицы к фокусному расстоянию линзы.

Ответ: 5 дптр

Если бы мы получили отрицательную оптическую силу, то мы говорили бы о рассеивающей линзе.

Следующая задача рассматривает ход лучей в линзе.

Рис. 3. Иллюстрация к задаче

На главной оптической оси представлены два изображения (рис. 3). Одно изображение - это предмет, который располагается перпендикулярно главной оптической оси. Второе - это перевернутое изображение предмета, которое тоже перпендикулярно главной оптической оси.

Необходимо определить, где располагается собирающая линза и где находится ее фокус.

Решение задачи

Рис. 4. Иллюстрация к задаче

Направим луч из вершины предмета к вершине изображения A₁ (рис. 4). В этом случае луч пройдет через оптический центр. То есть там, где луч будет пересекаться с главной оптической осью, будет находиться линза.

Чтобы получить фокус, из той же точки направляем луч, параллельный главной оптической оси. Он доходит до линзы, преломляется и проходит таким образом, что тоже попадает в точку . Там, где преломленный луч пересекается с главной оптической осью, находится фокус линзы.

Вы научились решать задачи по теме «Световые явления» и повторили главные законы геометрической оптики.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. /Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

Домашнее задание

1. В солнечный день высота тени отвесно поставленной метровой линейки равна 50 см, а тени дерева - 6 метров. Какова высота дерева?
2. Фокусные расстояния трех линз соответственно равны 1,25 м, 0,5 м и 0,04 м. Какова оптическая сила каждой линзы?
3. При помощи линзы было получено увеличенное перевернутое изображение пламени свечи. Где находилась свеча относительно линзы?

1. Интернет-портал Tepka.ru ().
2. Интернет-портал Multiurok.ru ().
3. Интернет-портал Infourok.ru ().

Окологоризонтальная дуга. Известна как "огненная радуга". Цветные полосы возникают прямо на небосводе в результате прохождения света через кристаллы льда в перистых облаках, покрывая небо "радужной пленкой". Этот природный феномен очень трудно увидеть, так как и кристаллы льда, и солнечный свет должны оказаться под определенным углом друг к другу, чтобы создать эффект "огненной радуги".
"Призрак Броккена".В некоторых районах Земли можно наблюдать удивительное явление: человек, стоящий на холме или горе, за спиной которого восходит или заходит солнце, обнаруживает, что его тень, упавшая на облака, становится неправдоподобно огромной. Это происходит из-за того, что мельчайшие капли тумана особым образом преломляют и отражают солнечный свет. Свое название явление получило по имени вершины Броккен в Германии, на которой, из-за частых туманов, можно регулярно наблюдать этот эффект.

Околозенитная дуга. Околозенитная дуга - это дуга с центром в точке зенита, расположенная выше Солнца приблизительно на 46°. Она видна редко и только в течение нескольких минут, имеет яркие цвета, четкие очертания и всегда параллельна горизонту. Стороннему наблюдателю она напомнит улыбку Чеширского Кота или перевернутую радугу.

"Туманная" радуга. Туманный ореол похож на бесцветную радугу. Как и обычная радуга, этот ореол образуется путем преломления света через водяные кристаллы. Однако, в отличие от облаков, формирующих обычную радугу, туман, рождающий этот ореол, состоит из более мелких частиц волы, и свет, преломляясь в крошечных капельках, не расцвечивает его.

Глория. Когда свет подвергается эффекту обратного рассеивания (дифракция света, ранее уже отраженного в водяных кристаллах облака), он возвращается от облака в том же направлении, по которому падал, и образует эффект, получивший название "Глория". Наблюдать этот эффект можно только на облаках, которые находятся прямо перед зрителем или ниже его, в точке, которая находится на противоположной стороне к источнику света. Таким образом, увидеть Глорию можно только с горы или из самолета, причем источники света (Солнце или Луна) должны находиться прямо за спиной наблюдателя. Радужные круги Глории в Китае еще называют Светом Будды. На этой фотографии прекрасный радужный ореол окружает тень воздушного шара, упавшую на находящееся ниже него облако.

Гало в 22?. Белые световые окружности вокруг Солнца или Луны, которые возникают в результате преломления или отражения света находящимися в атмосфере кристаллами льда или снега, называются гало. В атмосфере присутствуют небольшие кристаллы воды, и когда их грани образуют прямой угол с плоскостью, проходящей через Солнце, того, кто наблюдает эффект, и кристаллы, на небе становится виден характерный белый ореол, окружающий Солнце. Так грани отражают лучи света с отклонением на 22°, образуя гало. В холодное время года гало, образованные кристаллами льда и снега на поверхности земли, отражают солнечный свет и рассеивают его в разных направлениях, образуя эффект под названием "бриллиантовая пыль".

Радужные облака. Когда Солнце располагается под определенным углом к капелькам воды, из которых состоит облако, эти капли преломляют солнечный свет и создают необычный эффект "радужного облака", окрашивая его во все цвета радуги. Своей расцветкой облака, как и радуга, обязаны различной длине волн света.

Лунная дуга. Темное ночное небо и яркий свет Луны часто порождают явление, именуемое "лунной радугой" – радуга, появляющаяся в свете Луны. Такие радуги располагаются на противоположной от Луны стороне небосвода и чаще всего кажутся абсолютно белыми. Впрочем, иногда их можно увидеть во всей красе.

Паргелий. "Паргелий" в переводе с греческого – "ложное солнце". Это одна из форм гало (см. пункт 6): на небе наблюдается одно или несколько дополнительных изображений Солнца, расположенных на той же высоте над горизонтом, что и настоящее Солнце. Миллионы кристаллов льда с вертикальной поверхностью, отражающие Солнце, и образуют это красивейшее явление.

Радуга. Радуга – самое красивое атмосферное явление. Радуги могут принимать различные формы, общим для них является правило расположения цветов – в последовательности спектра (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый). Радуги можно наблюдать, когда Солнце освещает часть неба, а воздух насыщен капельками влаги, например, во время или сразу после дождя. В древности появлениям радуги на небе придавали мистический смысл. Увидеть радугу считалось хорошим предзнаменованием, проехать или пройти под ней сулило счастье и успех. Двойная радуга, как говорили, приносит удачу и исполняет желания. Древние греки верили, что радуга – это мост на небо, а ирландцы считали, что на другом конце радуги находится легендарное золото лепреконов.

Северное сияние.Свечение, наблюдаемое на небе в полярных областях, называют северным, или полярным сиянием а так же южным – в Южном полушарии). Предполагается, что этот феномен существует также и в атмосферах других планет, например Венеры. Природа и происхождение полярных сияний – предмет интенсивных исследований, и в этой связи были разработаны многочисленные теории." Полярные сияния, как считают ученые, возникают вследствие бомбардировки верхних слоев атмосферы заряженными частицами, движущимися к Земле вдоль силовых линий геомагнитного поля из области околоземного космического пространства, называемой плазменным слоем. Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный м южный магнитные полюса (авроральные овалы)".

Конденсационный (инверсионный) след. Конденсационные следы – это белые полосы, оставляемые в небе самолетами. По своей природе они являются сконденсированным туманом, состоящим из влаги, находящейся в атмосфере и выхлопных газах двигателей. Чаще всего эти следы недолговечны – под воздействием высоких температур они попросту испаряются. Однако некоторые из них спускаются в более низкие слои атмосферы, образуя перистые облака. Экологи считают, что преобразованные таким образом конденсационные следы самолетов оказывают негативное влияние на климат планеты. Тонкие высотные перистые облака, которые получаются из видоизмененных самолетных следов, препятствуют прохождению солнечных лучей и как следствие понижают температуру планеты, в отличие от обычных перистых облаков, которые способны сохранять тепло земли.

След выхлопных газов ракеты. Воздушные потоки в высоких слоях атмосферы деформируют инверсионные следы космических ракет, а частички выхлопных газов преломляют солнечный свет и окрашивают следы во все цвет радуги. Огромные разноцветные завитки тянутся на несколько километров по всему небу перед тем, как испариться.

Поляризация. Поляризация – это ориентированность электромагнитных колебаний световой волны в пространстве. Поляризация света возникает, когда свет под определенным углом падает на поверхность, отражается и становится поляризованным. Поляризованный свет также свободно распространяется в пространстве, как и обычный солнечный свет, но человеческий глаз, как правило, не способен уловить изменение цветовых оттенков в результате усиления эффекта поляризации. Этот снимок, сделанный при помощи широкоугольного объектива с поляризационным фильтром показывает, какой интенсивно-синий цвет придает небу электромагнитный заряд. Такое небо мы можем увидеть только через фильтр фотокамеры.

Звездный след. Невидимый невооруженным глазом "звездный след" можно запечатлеть на фотокамеру. Этот снимок был сделан ночью, при помощи камеры, установленной на штатив, с полностью открытой диафрагмой объектива и более чем часовой выдержкой. На фотографии показано "движение" звездного неба – естественное изменение положения Земли в результате вращения заставляет звезды "двигаться". Единственная неподвижная звезда – Полярная, которая указывает на астрономический Северный полюс.

Зодиакальный свет. Рассеянное свечение ночного неба, создаваемого солнечным светом, отраженным от частиц межпланетной пыли, называют еще зодиакальным светом. Зодиакальный свет можно наблюдать вечером на западе или утром на востоке.

Корона. Короны, или венцы – это небольшие цветные кольца вокруг Солнца, Луны или других ярких объектов, которые наблюдаются время от времени, когда источник света находится за полупрозрачными облаками. Корона возникает при рассеивании света мелкими водяными капельками воды, образующими облако. Иногда корона выглядит как светящееся пятно (или ореол), окружающее Солнце (или Луну), которое завершается красноватым кольцом. Во время затмений именно корона окружает затемненное солнце.

Сумеречные лучи. Сумеречные лучи – расходящиеся пучки солнечного света, которые становятся видны благодаря освещению ими пыли в высоких слоях атмосферы. Тени от облаков образуют темные полосы, а между ними распространяются лучи. Этот эффект наблюдается, когда Солнце находится низко над горизонтом перед закатом или после рассвета.

Мираж. Оптический эффект, обусловленный преломлением света при прохождении через слои воздуха разной плотности, выражается в возникновении обманного изображения – миража. Миражи можно наблюдать в жарком климате, особенно в пустынях. Ровная поверхность песка вдалеке становится похожей на открытый источник воды, особенно если смотреть вдаль с дюны или холма. Похожая иллюзия возникает в городе в жаркий день, на нагретом лучами солнца асфальте. На самом деле "водная поверхность" – это ни что иное, как отражение неба. Иногда миражи показывают целые объекты, находящиеся на большом расстоянии от наблюдателя.

Столбы света.Плоские кристаллы льда отражают свет в верхних слоях атмосферы и образуют вертикальные столбы света, словно выходящие из земной поверхности. Источниками света могут являться Луна, Солнце или огни искусственного происхождения.

А это явление, которое жители острова Мадейра, что в Атлантическом океане, наблюдали однажды, не поддается никакой классификации.

93. Что называют источниками света (§49)?

Все тела, от которых исходит свет, называют источниками света . Различают тепловые и люминесцирующие источники света, источники отраженного света:

- тепловые источники света излучают свет потому, что имеют высокую температуру (Солнце, звезды, пламя, нить электрической лампы); тела начинают излучать свет при температуре около 800 °С; электрическую лампу изобрёл Александр Николаевич Лодыгин (1847-1923, Россия), современный вид лампе передал Томас Эдисон (1847-1931, США);

- люминесцирующие источники света – это холодные источники света, излучение которых не зависит от температуры (люминесцентные и газосветные лампы, экран телевизора, монитор компьютера, дисплей электронных устройств, светодиоды, гнилушки, светлячки, некоторые морские животные);

- источники отраженного света сами не излучают; они светятся только тогда, когда на них падает свет от некоторого источника. Например, Луна, планеты и их спутники, искусственные спутники Земли отражают свет Солнца; ночью предметы видим потому, что они отражают лунный свет или свет от тепловых и люминесцентных источников.

94. Как распространяется свет в однородной среде (§50)?

В однородной среде, состоящей из одного и того же вещества (например, воздуха, стекла, воды) свет распространяется прямолинейно .

Прямолинейное распространение света установил основатель геометрии Евклид (325-265 до н. э., Др. Греция).

95. Что такое световой пучок и световой луч (§51)?

- Световой пучок представляет собой узкий ограниченный световой поток; световые пучки можно выделить с помощью малых отверстий в непрозрачных пластинах, называемых диафрагмами .

Пучок света может быть параллельным (а), расходящимся (б), сходящимся (в).

Световые пучки от разных источников не зависят друг от друга и не влияют на распространение друг друга. Это свойство называют независимостью световых пучков .

- Световой луч – это линия, указывающая направление распространения света и используется для изображения световых пучков.

96. Что такое точечный источник света (§52)?

Точечный источник света – это такой источник, размеры которого малы по сравнению с расстоянием от него до наблюдателя.

97. Что такое тень и полутень (§52).

- Тень – это область пространства за предметом, в которую не попадает свет от источника. Тень от предметов образуется при освещении их точечными источниками света.

- Полутень – это область, в которую попадает свет только от части источника света.

При освещении предметов протяженными источниками света образуется область тени и полутени. Например, когда Луна оказывается между Солнцем и Землей, от Луны на Землю падает область тени (полное солнечное затмение) и полутени (частное солнечное затмение).

98. В чём заключается закон отражения света (§53)?

Закон отражения света заключается в том, что:

Угол отражения света равен углу падения:

Падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр, восставленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости.

Падающий и отражённый лучи обратимы. Например, если световой пучок падает на зеркало в направлении АО, то отражаться он будет в направлении ОВ; если же свет будет падать на зеркало в направлении ВО, то отраженным будет луч ОА.

99. Что такое зеркальное и диффузное отражение света (§53)?

- Зеркальным называют такое отражение, когда гладкую (зеркальную) поверхность, остается параллельным и после отражения. Зеркально отражают гладкие полированные поверхности, зеркала, водная гладь.

- Диффузным называют такое отражение, когда параллельный пучок света, падающий на шероховатую поверхность, отражается рассеянно, т.е. лучи будут направлены в разные стороны. Благодаря диффузному (рассеянному) отражению мы видим окружающие предметы, окружающий мир.

100. По каким законам изображается предмет в плоском зеркале (§54)?

- Плоское зеркало даёт прямое и мнимое изображение предмета.

Изображение предмета в плоском зеркале имеет те же размеры, что и предмет.

Расстояние от предмета до плоского зеркала равно расстоянию от зеркала до изображения, т.е. предмет и его изображение симметричны относительно зеркала.

Плоское зеркало даёт мнимое (недействительное, кажущееся) изображение предмета.

101. Какие сферические зеркала вы знаете и какими параметрами они характеризуются (§55)?

- Сферические зеркала являются частью поверхности полого шара. Сферические зеркала бывают вогнутые и выпуклые . У вогнутого зеркала зеркальной является внутренняя вогнутая поверхность полого шара. У выпуклого зеркала зеркальной является внешняя выпуклая поверхность полого шара.

Сферические зеркала характеризуются полюсом , оптическим центром, радиусом, главной оптической осью, главным фокусом и фокусным расстоянием.

На рисунке: т. С – полюс зеркала; т. О – оптический центр; СО – радиус зеркала; прямая СО – главная оптическая ось зеркала; т. F – главный фокус зеркала; расстояние FC – фокусное расстояние зеркала.

Вогнутые зеркала применяются:

Когда нужно создать параллельный пучок света. Для этого светящуюся лампу помещают в фокусе зеркала. Это используется в фонарях, фарах автомобилей, прожекторах:

Когда нужно собрать в фокусе падающий на зеркало пучок параллельных лучей. Это используется в телескопе-рефлекторе.

102. Что называют преломлением света (§57)?

Изменение направления распространения света при переходе из одной среды в другую называют преломлением света.

103. Чем характеризуется оптическая плотность среды (§57)?

Оптическая плотность среды характеризуется скоростью распространения света в ней. Чем больше скорость распространения света, тем меньше оптическая плотность среды. Например, оптическая плотность вакуума, где скорость света максимальная и составляет = 300 000 км/с, равна 1.

104. Как формулируется закон преломления света (§57)?

- Если луч света переходит из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную (например, из воздуха в воду), то угол преломления меньше угла падения ( < ).

Если свет переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную (например, из воды в воздух), то угол преломления больше угла падения ( > ).

Лучи падающий и преломлённый, а также перпендикуляр, восставленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости.

- Синус угла падения так относится к синусу угла преломления, как скорость света в первой среде к скорости света во второй среде: .

105. Что называют предельным углом полного внутреннего отражения (§58)?

Явление полного внутреннего отражения наблюдается при переходе луча света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду. Угол падения, при котором наступает полное внутреннее отражение, называют предельным углом полного внутреннего отражения.

Явление полного внутреннего отражения используется, например, в призмах для изменения направления световых лучей. Такие призмы применяются в биноклях, перископах.

106. Что называют световодом и волоконной оптикой (§59)?

Гибкие стеклянные стержни, в которых входящий с одного конца световой луч, многократно испытывая полное внутреннее отражение, полностью выйдет с другого конца, называется световодом. Новая отрасль оптики, основанная на использовании световодов для передачи информации, называется волоконной оптикой.

107. Что называют линзой? Какие бывают типы линз (§60)?

Линзой называют прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Линзы бывают выпуклые (собирающие) и вогнутые (рассеивающие).

108. Что называют оптическим центром, главным фокусом и фокусным расстоянием линзы (§60)?

- Главная оптическая ось – это линия, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу.

- Оптический центр линзы – это точка, через которую лучи света проходят без преломления. Через оптический центр линзы лучи проходят без преломления.

- Главный фокус линзы – это точка, в которой после преломления соберутся лучи света, падающие на линзу параллельно главной оптической оси.

109. Что называют оптической силой линзы (§60)?

Величину, обратную фокусному расстоянию, называют оптической силой линзы: . Оптическая сила измеряется в диоптриях (дптр). 1 дптр = 1/м.

110. Как читается формула линзы (§61)?

Сумма величин, обратных расстояниям от предмета до линзы и от линзы до изображения , равна величине, обратной фокусному расстоянию : .

111. Чему равно увеличение линзы (§61)?

Увеличение линзы равно отношению расстояния от линзы до изображения к расстоянию от предмета до линзы : .

112. Из каких частей состоит глаз (§63)?

Глаз человека имеет шарообразную форму диаметром 25 см. Снаружи покрыт прочной белой оболочкой, называемой склерой (1) . Передняя прозрачная часть склеры называется роговицей (2) . За роговицей расположена радужная оболочка (3), определяющая цвет глаза. В центре радужной оболочки находится зрачок , за которым расположен прозрачный хрусталик (4) , имеющий форму собирающей линзы. Оптическая система глаза даёт на его задней стенке, называемой сетчаткой (5) , действительное, уменьшенное и перевёрнутое изображение предмета.

113. Что называют (§63): аккомодацией глаза? углом зрения ? расстоянием наилучшего зрения?

- Аккомодацией глаза называется приспособление глаза к изменению расстояния до предмета за счёт регулирования кривизны хрусталика.

- Углом зрения называют угол, под которым виден предмет из оптического центра глаза.

- Расстояние наилучшего зрения у нормального глаза взрослого человека составляет 25 см, у детей – около 10 см.

114. Чем отличаются недостатки зрения близорукость и дальнозоркость (§64)?

Известны два основных недостатка зрения: близорукость и дальнозоркость .

Отчётливое изображение предмета у близоруких людей получается перед сетчаткой, у дальнозорких – за сетчаткой глаза.

Близорукость исправляется ношением очков с рассеивающими (вогнутыми) линзами, дальнозоркость – с собирающими (выпуклыми) линзами.

115. Назовите оптические приборы и их назначения (§64).

Оптическими приборами называются приборы, действие которых основано на использовании линз. Это:

- очки , применяемые для исправления близорукости и дальнозоркости;

- лупа – линза с малым фокусным расстоянием (от 1 до 10 см), используемая для рассматривания мелких предметов;

- микроскоп , предназначенный для рассмотрения микроскопических тел;

- бинокль для наблюдения удалённых тел;

- телескоп для изучения небесных тел;

- перископ для наблюдения из-за укрытия;

- фотоаппарат для получения четких фотографических снимков предметов;

- проекционные аппараты – диапроектор, кинопроектор, графопроектор – предназначенные для получения увеличенного изображения предмета на экране.

116. Как вычисляют увеличение лупы (§64)?

Лупа – это линза с малым фокусным расстоянием (от 1 до 10 см), используемая для рассматривания мелких предметов.

Увеличение лупы равно отношению расстояния наилучшего зрения к фокусному расстоянию лупы : .

117. Что называют спектром белого цвета (§65)?

Белый цвет сложный; он состоит из семи простых цветов.

Спектром белого цвета называется разноцветная полоса, полученная в результате разложения белого света и состоящая из семи простых цветов: красного, оранжевого, желтого, зелёного, голубого, синего и фиолетового (каждый охотник желает знать, где сидит фазан).

Если параллельный пучок света направить на трехгранную призму, то на экране получается разноцветная полоса, называемая спектром белого света. Спектр возникает потому, что пучки разного цвета по-разному преломляются призмой. Лучи красного цвета преломляются слабее, а лучи фиолетового цвета – сильнее. Остальные цвета располагаются между ними.

Примером спектра солнечного света является радуга, образующаяся при разложении белого света на прозрачных каплях дождя.

118. Какие цвета называют (§66): дополнительными? основными?

- Дополнительными называют цвета, дающие при сложении белый цвет.

- Три спектральных цвета – красный, зелёный и синий – называют основными . Потому что ни один из них нельзя получить при сложении других цветов спектра; сложение этих трёх цветов может дать белый цвет; в зависимости о того, в какой пропорции складываются эти цвета, можно получить разные цвета и оттенки.

119. Объясните происхождение (§67): а) бесцветности тел, б) прозрачности тел, в) цвета поверхности тел.

На границе раздела двух сред происходят три явления: отражение (рассеивание), преломление, поглощение света. Цвет тела, освещаемого белым светом, зависит от того, свет какого цвета это тело рассеивает, пропускает или поглощает.

Прозрачные или бесцветные тела, (например, стекло, вода, воздух), слабо отражают и попускают насквозь все цвета белого света.

Красное стекло поглощает все цвета, кроме красного. Зеленое стекло поглощает все цвета, кроме зеленого.

Цвет тела, освещаемого белым светом, определяется тем цветом, который он отражает. Например, красное тело отражает красный цвет, а остальные цвета поглощает.

Белое тело (бумага, снег, холст) отражает все цвета.